晶闸管双闭环直流调速系统

1、2015届本科毕业设计晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真院 （系） 名 称物理与电子信息学院专 业 名 称电气工程及其自动化（过程控制方向）学 生 姓 名赵晓东学 号指 导 教 师苗峰讲师晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真赵晓东物理与电子信息学院 电气工程及其自动化（过程控制方向）专业 学号：指导教师：苗峰摘要：电动机是一种将电能转换为机械能的动力装置，现已广泛应用于工业、农业、交通运输、国防工业等各个领域。而电动机的调速性能，对于提高产品质量、提高劳动生产率、节约电能等方面有着直接的决定性的影响。所以研究电机的调速控制的先进理论和技术，不仅满足工业生产的要求，而且能提高能源的利用率。MA

2、TLAB是目前流行的控制系统仿真软件，使用MATLAB软件对电机调速系统进行仿真设计和分析，有利于选择参数和设计的最合理的系统方案。本文利用MATLAB软件中的Simulink工具箱，构建电机调速系统的仿真模型，对多种智能调速方法的仿真实现、性能分析和算法设计等方面进行了深入研究关键词：晶闸管；双闭环；ASR；ACR；SimulinkDesign and Simulation of thyristor Double Loop DC Speed Control System Zhao Xiao-dong Physics and Electronic Information Electrical

3、Engineering and Automation(Process Control direction) No: Tutor: Miao Feng Abstract: Now no one needs to control the speed of the device, and its production process on the speed performance have certain requirements. If the production process of the static load of slip running demanding, this time u

4、sing the speed closed-loop system can reduce landing speed, can resist the load fluctuation to some extent. But the current and torque control loop system dynamic process can not be arbitrary, and if you want to improve the speed of system as high as possible, the key is to get the maximum period of

5、 electric current to maintain constant process, which must require the system to have a very speed and current Good regulation and control action. According to the system of feedback and control , the use of a physical quantity of negative feedback can keep this amount basically unchanged. after rea

6、ching steady state speed, speed and want only negative feedback, negative feedback will not allow current occurs, this problem can be solved using the speed and current two regulators were controlled. Finally, through the Simulink system ,analysis features dual-loop DC speed control system and make

7、summary.Key words: Thyristor; Dual-loop; Speed regulator; Current regulator; Simulink目 录 1 引言4 1.1 直流电机调速系统的发展史4 1.2 直流电机调速系统的研究现状5 1.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义7 1.4 本设计的主要研究内容7 2 双闭环直流调速系统理论分析8 2.1 直流调速系统的调速原理8 2.2 直流调速系统的性能指标9 2.3 双闭环直流调速系统的组成13 2.4 双闭环直流调速的工作过程和原理14 2.5 双闭环直流调速系统的数学模型和静、动态性能分析15 3 总体工程设

8、计框图18 3.1 单闭环直流调速系统的原理框图18 3.2 双闭环直流调速系统的原理框图19 4 调节器工程设计方法19 4.1 调节器的设计方法19 4.2 转速、电流调节器在调速系统中的作用20 4.3 转速、电流调节器结构的确定21 4.4 转速、电流调节器的设计和校验22 5 单元模块设计25 5.1 晶闸管元件的选择25 5.2 整流变压器的设计26 5.3 平波电抗器的计算27 6 双闭环直流调速系统仿真29 6.1 控制系统的仿真说明29 6.2 系统的建模与参数设置29 6.3 系统的仿真结论33 7 结论33 8 致谢34 9 参考文献341 引言 大约在20世纪90年代前

9、50年内，由于直流电机优良的启动、制动和调速性能。直流电机基本上成为唯一能实现高性能拖动控制的电动机，虽然这些年交流电机发展相当迅速，直流电动机也不断受到交流电机及其他类型电机的对比与竞争。但目前绝大多数变速运控系统和闭环位控系统仍将直流电机作为首要选择。直流电机控制具有很高的精确性、稳定性和较高的抗扰性能等优点，而且直流电机的发展理论也较为成熟，故如今直流调速非常可靠，它的应用也相当广泛。直流电机经常被应用于电力机车、无轨电车等交通领域，机床、轧钢车等机械领域以及起重设备和经常启动并调速的电气传动装置当中。所以提高直流电机调速性能意义重大。对于调速系统而言，抗扰性能是体现系统稳定性的最重要指

10、标，一是抗负载扰动，二个是抗电网电压扰动。而双闭环调速系统二者兼顾，它具有较为满意的调速性能和抗扰性能。根据多环控制系统的工程设计方法，运行过程中外环的响应会比内环慢，这也是多环控制系统设计的显著特点，虽然在一定程度上它是不利于快速性的，但是每个控制环本身都是稳定的，这样有利于对系统进行调试工作。 1.1 直流电机调速系统的发展史19世纪20年代，法拉第发明了第一台永磁电机之后，人们开始认识电机并逐步了解电机的基本概念和基本理论。第一次工业革命结束之后，第一台直流电机出现并经历了三个阶段，探索阶段、开发应用阶段和实用商品阶段。到1870年，第二次工业革命爆发使经济迅速发展，当时的社会迫切需要更

11、加优质的直流电机进行工业生产。20世纪60年代末，晶闸管的出现，采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动系统中占据核心位置。随着电力电子技术与电子器件的发展，晶闸管系统显现出良好动态性能，大大提高了直流调速系统的可靠性、快速性和适用性。成为了很长一段时间第二十世纪内调速的主流。当今直流电机的发展是朝着基于微机控制的，具有精度高、大范围的全数字的直流调速系统。直流传动设备经历多年的应用与发展，能被广泛应用于工业生产，关键在于它可以用一个简单的方法实现更高的性能指标。很多直流传动系统属于高精度稳速系统，它的稳速精度可达五十万分之一，大范围调速系统的调速比超过1：11000，而且其实响应时间也

12、得到大大的缩短，甚至低于几毫秒。1880年之后的20年，直流电机广泛应用于工业领域，也是带动工业生产唯一的电动机。1990年左右，交流笼型电动机问世，其结构简单，坚固耐用，在工业生产日益提高的年代发展迅速。在某些无需调速的工业要求当中，直流电机传动会被简单耐用的交流电动机所取代。然而随着工业革命对经济的推动作用，工业设备对电机的调速范围和静差率都有了一定要求，许多当代应用的变速传动系统，已经可以保持良好的稳定性和瞬态性能，而且在大大增加调速范围的同时也能实现连续无级的调速。直流调速技术不断得到提高和应用，其相关理论也渐渐成熟、完善、系统化和标准化，直流调速技术已经难以被取代，在PWM调速、精确

13、高的电气传动系统中也是如此。由电机的机械特性理论方程上看,要想改变的电机的机械特性，一是改变电动机的参数，二是改变外加工电压,从而能转移电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电机的稳态运行速度发生改变，即人为方式或系统自动地改变直流电动机的转速,以满足工业生产的需求。虽然直流电动机的运行和维护各方面仍存在缺陷，比如容量的限制、体积过大、成本过高、制造和维护繁琐等，但直流电机控制具有很高的精确性、稳定性和较高的抗扰性能是毋庸置疑的，而且直流电机的发展理论也相当成熟。所以就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，被广泛应用于电力机车、无轨电车等交通领域，机床、轧钢车等机械领域以及起

14、重设备和经常启动并调速的电气传动装置当中。1.2 直流电机调速系统的研究现状一、 采用晶闸管等新型电力电子器件 从1960年之后的10年间，主要是半控型为代表的电力电子器件问世并得到广泛应用，大多应用在相控电路和整流电路中。这样的整流方式与传统的汞弧整流方法相比，体积较小，可靠性较高，而且有着十分明显的节能效果（一般可节电20%左右，从中国的实际看，因风机的实际看，风机和泵类负载约占全国用电量的1/3，若采用交流电机调速传动，可节约20%以上，每年可节电400亿千瓦时），因此电力电子技术的发展也越来越受到人们的重视。所以这些相控和整流电路被十分广泛地用在电解、电镀、直流电机传动、发电机励磁应用

15、当中。1970年之后全控型可关断晶闸管和功率晶体管出现了，这种全控型器件弥补了半控型电力电子器件的不足，它的开关频率高，控制方式简单，逆导可关断晶闸管甚至兼具可关断晶闸管和快速整流二极管的各种功能。电力电子技术的应用领域被拓宽到一个新的高度，其中主要以逆变、斩波为中心作用于实现电能的输送和变换，如今在变频调速、开关电源、静止变频等电力电子装置已得到广泛应用。 目前电力电子器件正向耐高压，大功率，高频化和智能化方向发展，为电机控制系统的完善提供了硬件保证。智能功率模块的开发与应用，促使新型电动机自动控制系统的体积更小、精确度更高、应用更加广泛和可靠性更强。传统直流电动机是采用晶闸管的相控方式，虽

16、然这种方式在经济、可靠性上都能满足工业要求，但是它的相控方法复杂，在散热方面也有很高的要求。鉴于此，第二代电力电子器件之一的大功率晶体管应运而生。这种大功率晶体管是全控型器件，既能控制导通又能控制其关断，有良好的控制性能和稳定性能，晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统就是由大功率晶体管为基础构成的，由于大功率晶体管的优势使这种调速系统在直流传动中的使用愈来愈广泛。2、 采用现代控制理论技术 控制理论的发展经过三个阶段，最先是以线性为主的自动控制理论，发展到状态空间法为数学基础的现代控制理论，到后来的智能控制，主要解决多样性、非线性的控制问题。这些控制理论不仅能描述系统的外部特征，而且也能解释和

17、展现系统的内部的状态变化从而从优的改变其性能。机械工程、电气工程以及控制科学与控制工程中涉及的大多数问题，都是通过用系统的相关理论来分析和解决的。现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的，它是人类在控制技术问题上的重大进步。而空间技术的发展也需要新的控制理论进行支撑，以更好处理宇宙火箭或人造卫星用较少的燃料和较短的时间精确地发射到预定轨道这样的控制问题。这类控制问题解决起来相当棘手，采用经典控制理论是很难达到目地。显现出自动控制控制论的局限性，它仅适用于单变量和定常系统，而现代控制理论在数学上可归结为多变量的微分方程问题，它是以矩阵论和线性空间理论作为理论基础，

18、分析与设计控制系统。1954年之后的10年内，美国学者R.E.贝尔曼创立了动态规划，并将其应用在控制过程当中，他的这些研究成果也处理了空间技术中很多复杂控制问题，并开创出一个新的领域：最优控制理论。R.E.卡尔曼和R.S.布什又在1960年建立了卡尔曼-布什滤波理论，把控制理论的研究范围扩大化（包括了更为复杂的控制问题），同时有效地考虑到随机噪声对控制问题的影响。同一年贝尔曼、卡尔曼为代表的美国研究人士把状态空间法系统地引进到控制理论当中。他们所提出的状态空间法起到了关键作用，通过矩阵基础直观的认识了控制系统的许多重要特性，主要是能控性和能观性的把握，这两个特性也成为控制理论两个最基本的概念。

19、到最后一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的原理和方法确立起来，这也标志着现代控制理论的形成。 近年来，现代控制理论也越来越成熟和完善，其中有两个主要方面使现代控制理论在电动机控制系统上的应用有非常美好的发展前景。第一：高性能处理器的应用与发展。第二：辨识技术的发展。参数估值以及控制算法相关理论和方法逐渐成熟，使现代控制理论的应用可得到很好的调节效果。3、 采用总线控制技术现场总线，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，它在制造行业、流程工业、楼宇建筑等领域有着广泛

20、的发展前景。现代电动机自动控制系统在硬件结构上有望朝着总线化方向发展，所以电机的控制也可通过总线控制进行实现，总线化可使各种电动机的控制系统得到良好的控制效果，这也是现代电机调速的另一种发展方法。1.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义采用转速、电流双闭环直流调速系统能获得较为满意的的调速效果。它也是应用最为广泛的直流电机调速系统，各种直、交流电力拖动自动控制系统都将其相关的控制方法、性能优点和设计方法作为重要理论依据，学生研究该题的目地如下：第一：掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本工作原理及动态特性。第二：在建立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个

21、调节器的作用。第三：研究一般调节器的工程设计方法。同时与自动控制理论的动态校正方法进行对比，总结出设此计方法的优势。第四：应用工程设计方法处理双闭环调速系统中两个调节器的设计问题。通过对转速、电流双闭环直流调速系统工作原理的学习，使我们能够掌握双闭环调速领域涉及到的相关内容和调速方法，掌握学习影响直流调速的各种因素，只有这样才能做好系统设计的仿真工作，设计和调节参数使系统尽量达到稳定状态，从而达到锻炼自己发现系统的缺陷之处的能力，然后努力完善系统的缺陷，使系统的具有良好的调节性能，提高其使用效率尽量使系统适用于各种工作场合。努力掌握各种直流调速的工作原理和调速方法，有所倾向的学习与研究，使其向

22、适应于国民经济各个生产领域的方向发展。1.4 本设计的主要研究内容本设计从直流电机的调速原理开始学习，并建立双闭环直流调速系统的数学模型，详细分析系统的工作原理和动态特性。最后依据运动控制系统理论，对与双闭环调速系统相关的设计参数进行分析和确定，再通过Simulink模块对双闭环调速系统进行仿真，依据仿真结果再对系统相关参数进行整定，使系统达到最优状态。本文主要的课题内容：1. 掌握直流电机的工作原理及应用；2. 设计双闭环直流调速系统；3. 建立数学模型，计算相关设计参数；4. 进行数字仿真，验证其设计的合理性；5. 完成相关实验，分析结果并得出结论。2 双闭环直流调速系统理论分析2.1 直

23、流调速系统的调速原理良好的起、制动性能是直流电动机最显著的特点，而且能实现大范围内平滑调速，目前基于晶闸管控制的直流电动机调速系统（即V-M控制系统）是应用较广泛的电力传动自动化控制系统，它在理论上愈来愈完善，实践上也愈来愈成熟。就闭环控制系统而言，它是学习交流调速系统的理论基础。所以掌握直流调速系统部分非常重要，由直流电机的基本工作原理，它的机械特性方程如下： 式中 n电动机转速；U电枢供电电压； I 电枢电流； R电枢回路总电阻，单位为 由电机机构决定的电势系数。可知直流调速方法有三种：（1）改变电枢回路电阻R；（2）改变电动机主磁通；（3）调节电枢供电电压U；对比上述三种直流调速方法，其

24、中改变电阻调速，优点是系统结构简单，但是它的不足也很多。比如它的调速效率不高，目前应用场合也很有限，而且只能实现有级调速，大多适用于小功率直流电机、开环控制当中，在电动玩具、一些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统也有应用。弱磁调速的优点是能实现平滑调速，缺点是范围不大，几乎不单独使用，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围升速。然而调节电枢供电电压的调速方法最好，在一定范围内能够实现大范围无级平滑调速，因此自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速配合使用。 2.2 直流调速系统的性能指标 根据生产机械的各种类型，提出转速控制

25、系统的三个基本要求调速、稳速、加减速。根据调速很稳速又提出两个调速指标，“调速范围”和“静差率”，二者合称为调速系统的稳态性能指标，也可称为静态性能指标。为了更好的定量分析，电力传动自动控制系统是在最高转速和最低转速范围内调节转速，这样直流静态性能指标的讨论才有实际意义，并且强调在不同的转速工作时，速度要求处于稳定，而动态性能指标要求系统既有良好的启、制动性能，又要有良好的抗扰动能力。其中抗扰性能是指系统以某一转速稳态运行时，在负载变化或电网电压波动等因素的影响下能尽快恢复给定要求的运行状态。一、静态性能指标1） 调速范围 生产机械要求额定负载运行时，电动机提供的最高转速nmax与最低转速nm

26、in（对于负载很轻的机械，可用实际负载时的最高和最低转速）的比值称调速范围，用字母D表示： （22）2） 静差率静差率是用来表示负载转矩变化时，衡量调速系统转速稳定度的。用字母s表示。当系统在某以转速下工作时，电动机的负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落ned与理想空载转速 n0之比，表达式如下： （23）由此可得，机械特性越硬，那么ned越小，静差率就越小，转速就越稳定。然而静特性又区别于机械特性。对于图21中不同转速下的静特性曲线，它们的转速降落相等，但空载转速n02S1。若n0只有10r/min，降落10r/min后，电动机就停止转动，转速全都降落完了。在100r/min时也降落1

27、0r/min，就占10%；而在1000r/min时降落10r/min，只占1%，此时系统仍存在较大转速。由此说明平行的多个机械特性中，空载速度越高静差率越小，转速就越稳定，当然，对一个调速系统而言，若静差率s能使最低转速下系统转速达到稳定，那么，较高转速时静差率也必然能满足要求。 图21 不同转速下静特性曲线实际上，调速范围和静差率这两项指标并不是没有任何联系，二者必须同时提才有实际意义。一个调速系统的调速范围是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围，所以在没有静差率的限制下，任何调速系统都无法得到确定的调速范围，反过来也如此二、动态性能指标机械设备及相关生产工艺对控制系统的动态性能

28、指标有很高的要求，自动控制系统的动态性能指标大致包括两方面，一是对给定信号的跟随性能指标，二是对扰动输入信号的抗扰性能指标，下面分别对二者进行叙述。一、跟随性能指标在给定信号（或参考输入信号）R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况会随着输入的变化而变化，可用跟随性能指标来描述，它的特征就是服从给定，紧紧跟随给定。通常输出量的初始值为零，将阶跃信号作为给定信号输入，这时系统的动态响应称为阶跃响应。通常情况在阶跃响应中尽量做到输出量c(t)与其稳态值C的差值越小越好，达到输出稳态的时间越短越好。下述就常用的阶跃响应跟随性能指标做出叙述。1）上升时间 tr图22为单位阶跃响应曲线图，在上面论

29、述的阶跃响应跟随过程中，输出量从零从第一次上升到稳态值所需要的时间定义为动态响应的上升时间，它的大小代表着系统动态响应的快速性，该值越小表示系统的响应速度越快。图22单位阶跃响应曲线图2）超调量 %在典型的阶跃响应跟随过程中，系统在峰值时间取得的输出值与最终稳态值之比叫做超调量，用百分数表示如下式： （24）超调量的大小代表系统的相对稳定性，超调量百分数越小表示系统的输出响应越稳定，系统的输出在干扰作用下变化越小。3）调节时间 ts调节时间代表系统响应过程的快慢，反映系统的快速性，通常这个值越小越好。线性控制系统中，当t=时系统的输出才会真正保持稳定，但实际系统运行过程中往往存在众多非线性等因

30、素，过渡过程只有有限的一段，因此阶跃响应曲线的稳态值一般取5%（或2%）附近的范围，图22中，调节时间即为以响应曲线达到并不超出规定的误差允许范围所需的最短时间。二、抗扰性能指标调速系统处于稳态运行过程中，突加负载后阶跃响应的动态过程的变化情况作为系统的抗扰过程，由此定义抗扰动态性能指标，如图23抗扰性能指标包括两点，一是动态降落，二是恢复时间。下面作详细叙述：1）动态降落 cmax%转速处于稳定状态时，突加一定量的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值 cmax% 称为动态降落，即扰动后系统的最大降落值与最终输出稳态值C1之比的百分数。动态降落后经过系统调节作用输出量逐渐恢复，达到新的

31、稳态值 C2 ，（C1-C2）是系统在该扰动作用下的稳态误差，稳态误差总是低于动态降落的。 2）恢复时间 tf 从突加一定量的负载扰动开始，到输出量基本上恢复到稳定状态，距新稳态值 C2之差进入某基准量Cb 的5%（或2%）范围之内所需的时间，定义为恢复时间 tf，其中 Cb 是比稳态值更小的基准值。事实上大多数控制系统的动态性能指标的标准不尽相同，需要具体问题具体分析，必须由机械生产的具体要求来确定。通常而言，随动系统的动态指标以跟随性能为主，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。本次设计是一个自动调速系统，调节器的参数整定在仿真调试过程中要以抗扰效果为主。图23突加扰动的动态过程2.3 双闭环

32、直流调速系统的组成闭环调速系统设计两个调节器，便可实现转速和电流两种负反馈分别起作用。观察下图，两个调节器按一定规则进行串级联接，把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再将电流调节器的输出来控制晶闸管整流器的触发装置，转速调节器调节器和电流调节器的输出都是带限幅作用的，其中转速调节器ASR的输出限幅电压，这个限幅电压值决定了电流给定电压的最大值，而电流调节器ACR的输出限幅值，限制了电力电子变换器的最大输出电压。由闭环调速系统的结构可知，双闭环由内环和外环两部分组成，其中电流调节环称为内环，转速调节环称为外环，这样就构成简单的转速、电流双闭环调速系统。本次设计的双闭环调速系统的两个调节器AS

33、R和ACR都采用PI调节器。因为PI调节器存在积分作用，只要存在偏差，积分作用就会一直存在直到偏差消除，这样可使系统实现无静差式调节，而比例调节器是即时作用，检测到偏差的存在，系统会立即向着减少偏差的方向发展，这样就提高了系统的快速性。总之，PI调节器作为控制器时既能实现快速响应，又能实现无静差调节。由此，良好的静态性能和动态性能都兼而有之，基本达到调速系统要求以稳、准、快的特点，能使调速系统得到良好的调速效果。所以，本次设计中双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR采用PI调节器即可。图中：U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压 U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压 ASR转速调节器 AC

34、R电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器闭环调速系统设计两个调节器，便可实现转速和电流两种负反馈分别起作用。观察上图，两个调节器按一定规则进行串级联接，把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再将电流调节器的输出来控制晶闸管整流器的触发装置，由闭环调速系统的结构可知，双闭环由内环和外环两部分组成，其中电流调节环称为内环，转速调节环称为外环，这样就构成简单的转速、电流双闭环调速系统。2.4 双闭环直流调速的工作过程和原理双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机启动之后，电动机的实际转速大小或两端电压小于给定值，这样给定信号值和反馈信号值就存在偏差，使速度调节器的输入端存在

35、一个差值信号，经信号放大器的作用使输出的电压值保持在限幅值左右，速度调节器处于开环，速度调节器的输出电压作为一个固定给定值作为电流调节器的输入，则此时最大电流给定值作为电流调节器的输入，并输出移相信号，对应输出直流电压和电流都会上升，直到与最大给定值相一致，可改变速度调节器的输出限幅值来改变电动机的最大电流，同时电动机会以最大电流恒流加速启动。在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，两个调节器都会退出饱和状态，闭环调节发挥作用。强加负载扰动时，速度调节器输入端产生的偏差信号会迫使ACR、ASR来改变触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压发生改变，从而校正和补偿电

36、动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数，还能抗电网电压扰动，可以在电动机转速还没受到影响的时候，很快将电流值调整为设定值，由此可使速度能够更好的稳定在某一转速下。2.5 双闭环直流调速系统的数学模型和静、动态性能分析双闭环直流调速系统数学模型的确定与可控硅触发器和整流器都有关系，全控式整流电路在稳定状态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为：其中：A整流器系数 整流器输入交流电压 整流器触发角 触发器移项控制电压 K触发器移项控制斜率整流和触发是余弦关系，工程应用时习惯将触发与放大环节近似为线性环节，放大系数用K表示：K=U0Uct。绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：

37、 图24 双闭环直流调速系统的动态结构框图1、 系统静特性分析 PI调节器的稳态特征是分析系统静态特性的关键因素，调节器一般存在两种状态：饱和状态和不饱和状态。调节器达到饱和，则输出为一个定值，输出不再受输入量变化影响，除了出现个反向输入信号导致调节器退出饱和状态，就是说，调节器达到饱和可以断开输入与输出的连系，无联系即相当于调节环处于开环状态，而调节器不饱和，PI调节器的作用会使输入偏差电压U在稳态时总保持为零。 通常，正常运行状态，为了保持电路安全，电流调节器一直都处于不饱和状态。然而，对于静特性而言，只有转速调节器有饱和与不饱和两种状态。1转速调节器不饱和该情况下，转速、电流调节器都不饱

38、和，稳态后，它们的输入偏差电压都为零。如下式：Un*=Un=n=n0 Ui*=Ui=Id 由第一个关系式可得：n=Un*=n0由式可知图2-6所示静特性曲线的CA段所代表的意义，又因ASR不饱和，UiUim* 可知IdIdm，可推断CA段静特性从理想空载状态 Id=0直到 Id=Idm。但是Idm通常都不小于额定电流Idn，这就是静特性的运行段，由图也可观察它就是一条水平的特性。2转速调节器饱和转速调节器输出达到限幅值Uim*，相当于转速外环断开，系统不再受转速变化的影响，双闭环系统变成了无静差的单闭环电流调节系统，稳态状态时电流值：Id=Uim*=Idm其中，最大电流Idm取决于电动机允许的

39、过载能力和拖动系统可容的加速度最大值，由上式可得静特性的AB段是一段垂直特性。上述的下垂特性只适合于nn0，则Un，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。5）计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=1.07840=43.12，取45，取0.3，取0.2。故=，其结构图如下所示： 图4-4-1 电流调节器二、转速调节器的设计和校验1）确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器3）计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则A

40、SR的超前时间常数为： ， 转速环开环增益： 。ASR的比例系数为： 。4）检验近似条件转速环截止频率为： 。电流环传递函数简化条件为： ，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3700。，取0.02，取1。故 。其结构图如下： 图4-4-2 转速调节器6）校验转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重计算。设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以=2（）（）=，满足设计要求。5 单元模块设计5.1 晶闸管元件的选择 选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流对于本设计采用的是三相桥式整流电路，

41、晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压，而考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则晶闸管额定电压计算结果： ，取。晶闸管额定电流的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。已知： 可得晶闸管的额定电流计算结果 ： ，取300A本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-300A （ 螺栓型）额定电压：VDRM 2000V 额定电流：IT(AV) 300A5.2 整流变压器的设计U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一

42、般可按下式计算，即： （5-1）式中A-理想情况下，=0时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2 ；B-延迟角为时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： (5-2)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985取U2 =120VU1/U2=380/120=3.2 一、一次、二次相电流的计算：由表查得 KI1=0.816, KI2=0.816考虑变压器励磁电流得：,取14A 二、变压器容量的计算 S1=m1U1I1； （5-3） S2 =m2U2I2； （5-4） S=1/

43、2(S1+S2)； （5-5）式中m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m1=3，m2=3S1=m1U1I1=338014=15.6KVAS2=m2U2I2=311044.9=14.85 KVAS=1/2(S1+S2)=1/2（15.6+14.85）=15.3KVA考虑励磁功率=2201.6=0.352kW，取S=15.6kvA 5.3 平波电抗器的设计为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 （5-6） 式中与整流电路形式有关的系数，可由表查得：为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695，所以=30.3mH 2）限制输出电流脉动的临界电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的